虚拟现实技术在传染病学教学中的进展与应用前景

Application prospects of virtual reality technology in infectious diseases teaching

摘要

随着科技的飞速发展，虚拟现实技术作为一项创新的教育工具，正日益引起医学教育界的关注。本文通过分析传染病学科教学的特点与难点，总结和展望虚拟现实技术的特性与应用，试图探索虚拟现实技术在传染病学教学和研究领域的应用前景与可能性，并提出建立传染病基础和实验教学的虚拟现实电子数据库的思考，将数据模型与虚拟现实技术相结合，实现病原种类、发病机制、应对策略的模拟与联动。

Abstract

With the rapid development of technology, virtual reality (VR) technology, as an innovative educational tool, is increasingly attracting attention from the medical education community. This article analyzes the characteristics and difficulties of infectious disease teaching, summarizes and looks at the characteristics and applications of VR technology. It explores the application prospects and possibilities of VR technology in infectious disease teaching and research, and proposes the establishment of a VR electronic database for infectious disease basic and experiment teaching. By combining data models with VR technology, it may help to realize the simulation and linkage of pathogen types, pathogenesis, and corresponding strategies.

关键词

传染病教学 / 虚拟现实技术 / 虚拟现实数据库

Key words

teaching of infectious diseases / virtual reality technology / virtual reality database

传染病学是现代医学中不可或缺的一部分，也是结合预防及治疗一体化的综合学科。面对国家培养高素质型复合人才的要求，目前的传染病学教学改革还有待于进一步深化^［1-2］。

1 传染病学教学难点及问题

1.1 传染病学课内容相对滞后于现实层面的变化

近年来，随着病原微生物的变迁，传染病的疾病谱也在发生改变。一些常见的传染病得到了有效的防控，而新发、突发传染病则此起彼伏，我国现有的传染病学课内容相对滞后于传染病学在现实层面的变化。如20世纪80年代以来全球范围内新出现的40多种新发传染病，就未能在大多高校的教学体系中及时跟进和更新^［3］。这种现实与理论脱节的情况，妨碍了学生更系统地掌握学科动向，也给授课教师带来困难和阻碍^［4］。因此，课程设置的现况仍以一般慢性传染病为主，另外一些发病率低的传染病也占据了大量教学资源和教学时间^［5］。另外，如细菌耐药、院内感染、机会性感染等虽然已成为新的亟待解决的公共卫生问题^［6］。但是这些临床问题并未完全囊括在教材中，既不能对学生将来参与临床和科学研究的指导性作用，也不利于学生将当下的重大公共卫生问题作为学习目标和努力方向。

1.2 重理论，轻实践

传染病学不仅是一门理论性很强的基础学科，同时需要大量的实验和对样本的分析研究，学生要在实践中不断积累经验，进行稳定和精确的实验操作。

一方面，由于常见传染病得到有效的防控，低发传染病也越发鲜见，导致典型的临床教学病例减少。学生将理论学习与临床实践和实验操作相结合的机会较少^［7］。另一方面，面对层出不穷的新发突发传染病，如马尔堡出血热、埃博拉出血热、中东呼吸综合征，以及仍在全球范围流行的猴痘病毒等，目前既不能对其发生和发展进行定性、总结和系统梳理，其中涉及到的不确定性、紧迫性和风险性，也决定了学生不适合直接参与科研一线的实验与临床救治工作，这必然导致学生对新发突发传染病的复杂性认识不足，也不利于培养学生的学习实践能力和应急处置能力^［8-9］。

虽然我国已经开始大力开展生物安全实验室的建设和对传染病学的投入，但想要满足各地区的科研、医疗和教学要求，还需要假以时日。《公共卫生防控救治能力建设方案》^［10］提出，要全面改善疾控机构设施设备条件，实现每省至少有一个达到生物安全三级（P3）水平的实验室。目前，我国已有从事人间传染病原微生物实验室活动的P3、P4实验室共计63个。然而这些实验室大多不能用于教学。尤其是在教学实践中，传染病的实验室操作具有风险性，数据和样本的操作需要精细和谨慎，实验操作课程生物安全隐患大、病原体形态教学难度大。传染病实验教学涉及病毒、细菌、真菌、支原体等病原种类，存在感染风险，这些是实验教学的制约因素。

1.3 传染病发病的季节性、地域性与不确定性给教学带来挑战

传染病的发生具有明显的季节性和地域性特点。因此，对传染病病原体致病机理的研究和对临床病例的诊疗也受到了时间和空间的限制。如夏季多发细菌性痢疾、疟疾、流行性乙型脑膜炎，秋冬多发甲型肝炎，冬春多发流行性感冒与急性呼吸道传染病等，理论学习中的大多传染病在学生有限的实习期内都难得一见，纵然是多发性和常见传染病，也并不能在实验和实习中得到观察和处理的机会。传染病宿主会受气温条件和地理条件的影响，因此常常局限于某一特定地理范围发病。如流行性出血热在北方比较常见，而吸血虫病则常见于长江中下游；布鲁氏杆菌病在新疆、内蒙古、青海等牧区多发，鼠疫则主要见于青海等西北地区；非洲地区暴发埃博拉病毒疫情，在南美洲地区，寨卡病暴发对公共卫生系统和社会造成了严重影响。这些南北方、区域化甚至跨国家的差异性，相关疾病仅能理论学习，难以进行病原学甄别和临床诊治。一些病毒纵然有条件允许学生近距离接触，但由于其高度的感染性和致命性，也不适合在医学教学实践中组织学生大规模观摩和实验。同时，各地区卫生条件与居住人群特点也千差万别，实际情况也容易与教学理论的理想状态脱节，给传染病的教与学带来挑战。另外，面对新发传染病，其病原体种类、传播途径、易感人群、发病机制和防治策略都处于探索阶段，这既是科研机构和高校研究的重点，也是教学中的难点。

1.4 传染病学到感染性疾病的学科发展趋势

20世纪90年代学界提出的Emerging Infectious Disease（EID），最初在我国翻译成“新发传染病”。随着学科的发展，国际上多数发达国家早已经将传染病学扩大为感染病学。1999年，我国第六次传染病学年会也将传染病学分会更名为感染病学年会。在由李兰娟和任红^［11］主编的第9版《传染病学》中，设置了《新发感染病概述》一节，充分认识到新发感染病较传染病学的复杂性、及时性与不确定性。比较传染病，感染病一词的提出事实上是扩大了该分支所囊括的范围和意义。感染不但涉及了人体的各个系统，而且包含的病毒更是复杂多样，包括细菌、病毒、真菌、支原体、衣原体、螺旋体和寄生虫等。不仅如此，感染病除了需要关注具有传染性的疾病，也要重视抗生素滥用导致的临床耐药问题，院感防控和机会性感染等一系列问题。至此，感染病学更加包罗万象，而且由于其具有传染性、感染性和爆发性的特点，是从病原学分析到疾病防控诊疗，从患者到医护，从发病机制到临床耐药的一系列历史性问题。然而在当前的教学理论和实践中，对“大感染观”的思想主导还有待建立和完善。结合以上教学和实践中病例不足，实践不足，传染病本身发病的复杂性等特点和难点，课程改革还百端待举。

2 虚拟现实技术融入教学实践的实施策略与展望

2.1 虚拟现实技术现状分析

虚拟现实（virtual reality，VR）技术是一种采用三维（3D）交互逻辑的成像技术类别，借助计算机作为媒介，设计出模拟真实场景的平台，将现实中难以亲身体验的场景仿真处理，使用者能够借此突破时间、空间以及其他客观条件限制，从视觉、听觉、触觉等方面参与体验甚至互动。VR技术具有“3I”特征，即沉浸性（immersion）、交互性（interactivity）和构想性（imagination）^［12］。VR技术最早主要被应用于军事领域，美国最先利用虚拟现实技术模拟战场环境，方便士兵进行模拟训练和联合演习。在亚洲国家中，日本是较早把VR技术投入应用的国家，并建立了大规模 VR知识库^［13］。世界范围内，对VR技术的投入在持续攀升。我国的VR技术研究起步较晚，但随着经济、科技尤其5G网络的快速发展，也越来越重视对VR技术的研究投入与实际应用。近年来，我国的虚拟现实技术在医疗、旅游、道路安全、心理干预等方面，都取得了突飞猛进的发展。而虚拟现实技术与教育相结合，也必然是教育领域革新的大势所趋。

基于VR在教育领域的应用前景，教育部于2015年全面开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，许多优质教学项目应运而生^［14］。2016年，教育部办公厅发布《关于批准北京大学考古虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知》^［15］，虚拟现实技术在高校教学中的涵盖领域更加广泛，也更加具体。2018年，教育部公布了首批国家虚拟仿真实验教学项目，共计105个。这些项目初期均免费对外开放并提供教学服务，方便学生体验VR沉浸式课堂。目前，该平台已经有超过1 000项虚拟仿真实验教学项目^［16］。2022年，我国工业和信息化部与教育部等五部委联合印发了《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》^［17］，推进“虚拟仿真实验教学2.0”，继续支持和促成建设一批虚拟仿真实验实训重点项目。虚拟现实技术在医学教育领域也取得了很大进展，如在临床技术仿真教学^［18］、肺炎虚拟诊疗^［19］等。

2.2 虚拟现实技术在传染病学中的应用分析和展望

虚拟现实/仿真技术在临床医学的教学中已经被应用于心音听诊、胸腹腔穿刺术、肾切除术^［20］、放射学^［21］、口腔建模^［22］、外科缝合术等课程。截至2024年3月，在国家虚拟仿真实验教学共享平台的实验空间网站上，共找到69项与传染病相关的虚拟仿真实验项目。其中以传染病病原学诊断的项目最多，占到其中的32项。其次为22项传染病疫情的应急处置项目，主要为与人感染高致病性禽流感、鼠疫、结核等呼吸道传染病突发事件应急处置相关的虚拟仿真实验等。而利用计算机等多媒体方式建立的医学虚拟仿真教学系统也已经开始应用于传染病教学中^［23］，这些虚拟现实技术实验项目在传染病教学中的应用，恰好反映并契合了传染病教学在实际操作层面和区域不平衡等原因导致的问题。近年来，基于传染病实践教学存在的难点与问题，我国对高校教学信息化工作提出了新要求，着重推广VR技术教学以完善传染病教学体系。

自2021年起，南开大学医学院建立了临床生物化学检测及疾病诊断虚拟仿真系统，开设了肝全项生物化学检测虚拟仿真实验。此项目不仅解决了传统肝脏生物化学分析实验检测指标少、血液样本存在传染风险、全自动生化分析仪价格昂贵、后期维护成本高、临床样本难以获得等诸多问题，而且能够增强学生理论联系实际的能力，提高实验教学质量^［24］。为使学生进一步了解真实的传染病传播过程，上海理工大学公共实验中心以自主研发的虚拟仿真实验平台为载体，通过设计社会网络中传染病预测防控虚拟仿真实验，帮助学生掌握传染病扩散原理和防控方法、领悟与实验相关的各种专业知识、了解传染病模型的构建思路和操作流程，提高了学生自主学习和团队合作能力^［25］。温州医科大学设计并建立了HIV感染免疫诊断的虚拟仿真实验项目并将此项目应用于教学，可达到有效规避高校实验室硬件环境不足、完善实验教学体系的目的^［26］。然而，尽管VR技术在传染病教学领域中具有很大优势，但仍需进一步推广与完善。笔者认为，对虚拟现实技术在传染病教学领域的妥善使用，可以使其与传统教学方式形成互补之势，逐步形成具有完整体系的“理论知识-多媒体认知-多模态沉浸式体验-实验室/临床实操的理论-实践过程”。

VR技术在传染病教学的具体应用中，可以根据传统教学经验与理论学习的思路，将VR技术按照不同模块与传染病教学相结合，形成优势互补。

第一，经典传染病模块是目前占比最高的部分。这一部分由于理论成熟、系统完善，因此与VR技术结合迫切程度较低，可以在传统教学的框架下，鼓励学生发挥积极性和创新思维，吸纳学生的优秀创意，对该模块进行自主性和能动性扩展。

第二，VR技术与地域性季节性罕见性和高危传染病结合。因传染病教学季节性、地域性和罕见性导致的病例不足、样本不足等现实问题，学生很难在实验室中全面观察到理论学习中提及的各种毒株，同时更难得在临床实践中观察患者的体征。而VR技术则可以克服现实的困难，极大程度上拓展传统教学中有限的教学资源。通过收集各类素材，并与VR和增强现实（augmented reality，AR）技术相结合，逐步建立影像、声音、三维（3D）建模的数据库，作为对传统教材的大力补充。如针对受季节、地域限制而难得一见的病原体种类，以及高危险性毒株，可以通过照片、影像、AR可视化模型和3D建模来对病原体形态、疾病病理进行全方位展示，让学生对其有直观立体的认识。AR技术与传染病理论教学相结合，通过高清虚拟图像和各类资源模型，使信息更加具体形象和生动，能够显著提升学生的学习效果和学习兴趣^［27-28］。如在充分尊重患者隐私和不影响临床治疗的情况下，对典型病例进行拍照和录像，以及针对临床病例资料进行收集和整理，让学生对这些罕见传染病临床特征有更生动的认识。将传染病的理论学习从文字和图片扩展成多媒体的资料库。针对新发突发传染病，面对其复杂性和不确定性，教材来不及形成理论体系的情况，可以用真实案例建设新发突发传染病教学案例库，收集新发突发传染病发生和扩散的全球案例，了解其致病机制和应对策略，对比不同国家和地区采取的不同防控策略，在真实场景和真实案例中进行学习。

第三，模拟实践模块。该模块是从理论知识到实验室和临床操作之间的重要一环，也是虚拟现实技术与实践教学结合的重点与未来趋势。由于虚拟现实技术具备沉浸性、交互性、开放性和虚拟现实等特点，可以极大改善传染病教学重理论、轻实践的现状。很多教学设备价格高昂，运营和维护成本高，再加上地区间的客观条件差异，教学场地不足等客观和硬件条件的欠缺，学生缺乏动手的机会。而且初学者需要大量练习和反复操作才能由熟悉到熟练，但大部分实验课为了避免可能存在病原体感染及实验室污染的隐患，无法给学生提供足够的操作机会。而VR技术与教学实践相结合，通过定向软件开发和可穿戴设备，学生可以在虚拟场景中体验和完成熟练操作后，再投入到真实场景中进行实操。

模拟实践不受时间和场地的限制，可反复多次进行模拟训练。既解决了实验教学中的场地不足、设备短缺，病原体缺乏及其暴露的风险性等问题，也避免了学生因为操作不熟练导致的生物安全隐患问题。在临床和实操层面，由于新发突发传染病总是突发事件，很难通过教学获得稳定的心态、清醒地判断和处理危机的能力^［9］。通过VR技术，学生可以通过可穿戴设备模拟传染病突发场景，锻炼在经验不足的情况下面对新发突发传染病以及病原体感染性毒株的心理恐慌与应对能力。这种全新的教学模式也能极大激发学生自主学习的兴趣，使教学和实验过程更加具象化和生动有趣。另外，与医疗和实验设备的价格和维护成本相比较，VR技术相关设备有更好的价格优势，且可以多人多次反复使用。而随着VR平台数据库的搭建和完善，可以向高校和科研机构免费或者低价开放使用权限，也可以很大程度上缩小由于地域和教学条件导致的学习效果的差异。

3 讨 论

VR技术在教学领域的应用越来越广泛，从VR技术以及其在传染病临床教学的仿真项目本身而言，存在课程架构不系统、课程内容不完善、实验项目分散等问题。另外，VR设备目前体积较大，造价较高，呈现效果也参差不齐。同时，由于VR在教学中的应用还没有大量普及，得到的使用体验反馈不足，也影响了技术本身的完善。也正是由于VR技术与教学相结合的应用和推广正处于初始阶段，才有必要有意识地逐步建立和完善传染病教学虚拟现实电子数据库。从仿真项目的推广和用户层面而言，虚拟仿真资源存在开放共享不够、供需不平衡等问题，导致虚拟仿真技术在实际应用过程中体验欠佳、满意度不高，从而影响其在传染病教学领域的发展^［29］。另外，使用虚拟仿真资源前期会导致教育成本的增加，尤其是在职业教育和经济欠发达地区^［30］。

尽管如此，传染病教学自身的独特性，以及现阶段反映出综上所述的诸多问题，都需要改进。而传染病理论和实践教学，正可以借助VR技术长足进军教育领域的大形势，进行教学资料、教学方法和教学设备的更新迭代，逐步建立和完善基于VR/AR技术的电子数据库和虚拟现实平台。另外，随着互联网技术的发展成熟，线上教学可以突破时空限制大规模应用于传染病实验教学中，通过翻转课堂、混合教学及慕课等结合互联网平台等教学方式推进建设云教学平台、智慧课堂，提升传染病教学的效率^［31-32］。最大限度丰富教学资源、调动学生积极性、为从理论到实践搭建桥梁、提高学生的理论技能与应对新突发传染病的能力，培养符合新时代、新医学背景下的青年拔尖人才。

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基金资助

科技部国家重点研发计划重点专项(2023YFE0116000)

北京市自然科学基金项目(Z220018)

北京市卫生系统高层次公共卫生技术人才建设项目(2022-1-007)

艾滋病研究北京市重点实验室项目(BZ0089)